פרק 4. תרכובות אורגניות מכילות חנקן (nitrogen-containing organic compounds)

4.1. תרכובות ניטרו (nitro compounds)

תרכובות ניטרו הן חומרים אורגניים שבמולקולותיהם קיימת קבוצת ניטרו —NO₂ המחוברת לאטום פחמן. ניתן לראותן כנגזרות של פחמימנים, המתקבלות בהחלפת אטום מימן בקבוצת ניטרו. לפי מספר קבוצות הניטרו, מבחינים בין תרכובות מונו-, די- ופולי-ניטרו.

שמות תרכובות הניטרו נגזרים משמות הפחמימנים ההתחלתיים בתוספת הקידומת ניטרו-. למשל: CH₃NO₂ — ניטרומתאן (nitromethane); 2-ניטרופנטאן; C₆H₅NO₂ — ניטרובנזן (nitrobenzene).

הנוסחה הכללית של תרכובות אלה: R—NO₂.

החדרת קבוצת ניטרו לתוך חומר אורגני נקראת ניטור (nitration). ניתן לבצעה בדרכים שונות. ניטור תרכובות ארומטיות ניתן לביצוע בקלות בפעולת תערובת חומצות חנקתית וגופרתית מרוכזות (הראשונה — סוכן מניטר, השנייה — מוציא מים):

$C_{6} H_{5} - C H_{3} + 3 H N O_{3} H_{2} S O_{4} C_{6} H_{2} (N O_{2})_{3} - C H_{3} + 3 H_{2} O$

(toluene → trinitrotoluene, TNT)

טריניטרוטולואן ידוע היטב כחומר נפץ. מתפוצץ רק מהדף (דטונציה). בוער בלהבה מפיחה, ללא פיצוץ.

ניטור פחמימנים רוויים מתבצע בפעולת חומצה חנקתית מדוללת על הפחמימן, בחימום ובלחץ מוגבר (תגובת קונובלוב, Konovalov reaction, על שם הכימאי הרוסי מ”י קונובלוב):

$C_{6} H_{14} + H N O_{3} Δ C_{6} H_{13} N O_{2} + H_{2} O$

(hexane → nitrohexane)

תרכובות ניטרו מתקבלות לעיתים קרובות גם בתגובת אלקיל הלוגנידים עם ניטריט כסף:

$C_{3} H_{7} I + A g N O_{2} \to C_{3} H_{7} N O_{2} + A g I$

(propyl iodide → nitropropane)

בחיזור תרכובות ניטרו נוצרים אמינים.

4.2. אמינים (amines)

אמינים הם נגזרות של אמוניה, שבהן אחד, שניים או כל שלושת אטומי המימן הוחלפו ברדיקלים אורגניים.

בהתאם למספר הרדיקלים, מבחינים בין אמינים ראשוניים (primary, רדיקל אחד), שניוניים (secondary, שניים) ושלישוניים (tertiary, שלושה). נוסחאות כלליות:

R—NH₂ — אמין ראשוני
R—NH—R′ — אמין שניוני
R—N(R′)—R″ — אמין שלישוני

שמות האמינים נגזרים בדרך כלל משמות הרדיקלים במולקולה, בתוספת הסיומת ‎-אמין. למשל: CH₃NH₂ — מתילאמין (methylamine), CH₃—NH—CH₃ — דימתילאמין (dimethylamine), CH₃—N(C₂H₅)(C₃H₇) — מתילאתילפרופילאמין.

דיאמינים (diamines) הן תרכובות אורגניות המכילות שתי קבוצות אמינו —NH₂. למשל: אתילנדיאמין (ethylenediamine) H₂N—CH₂—CH₂—NH₂, הקסמתילנדיאמין (hexamethylenediamine) H₂N—(CH₂)₆—NH₂, המשמש להכנת ניילון-6,6.

אמינים “חוזרים” על התכונות הכימיות של האמוניה, מכיוון שהם נגזרותיה. אמינים נמוכים (מתילאמין, דימתילאמין, טרימתילאמין) בתנאים רגילים הם גזים בעלי ריח דמוי אמוניה, אמינים בינוניים — נוזלים בעלי ריח חלש, ואמינים גבוהים — מוצקים חסרי ריח.

בדומה לאמוניה, בהתמסה במים יוצרים אמינים בסיסים:

$C H_{3} N H_{2} + H_{2} O ⇌ [C H_{3} N H_{3}] O H (methylammonium hydroxide)$ $(C H_{3})_{2} N H + H_{2} O ⇌ [(C H_{3})_{2} N H_{2}] O H (dimethylammonium hydroxide)$ $(C H_{3})_{3} N + H_{2} O ⇌ [(C H_{3})_{3} N H] O H (trimethylammonium hydroxide)$

מכיוון שלאמינים תכונות בסיסיות (יכולת לצרף פרוטון), הם מכונים לעיתים קרובות “בסיסים אורגניים”.

כמו אמוניה, אמינים מגיבים עם חומצות ויוצרים מלחים:

$C H_{3} N H_{2} + H C l \to [C H_{3} N H_{3}] C l (methylammonium chloride)$ $(C H_{3})_{2} N H + H C l \to [(C H_{3})_{2} N H_{2}] C l (dimethylammonium chloride)$ $(C H_{3})_{3} N + H C l \to [(C H_{3})_{3} N H] C l (trimethylammonium chloride)$

מלחי האמינים, כמו מלחי האמוניום, הם חומרים גבישיים מסיסים במים. תמיסותיהם המימיות מוליכות זרם חשמלי, שכן הם עוברים דיסוציאציה היטב ליונים:

$[(C H_{3})_{2} N H_{2}] C l ⇌ [(C H_{3})_{2} N H_{2}]^{+} + C l^{-}$

הדמיון בתכונות בין האמינים לאמוניה מוסבר במבנם האלקטרוני. כידוע, מולקולות האמוניה והאמינים מכילות אטום חנקן בעל זוג אלקטרונים בלתי מחולק. בהמסה במים נוצר בין החנקן לפרוטון המים קשר קוולנטי במנגנון דונור-אקצפטור.

בפעולת בסיסים חזקים על מלחי האמינים משתחררים האמינים:

$[C H_{3} N H_{3}] C l + N a O H \to C H_{3} N H_{2} + N a C l + H_{2} O$

אמינים בוערים באוויר:

$4 C H_{3} N H_{2} + 9 O_{2} \to 4 C O_{2} + 2 N_{2} + 10 H_{2} O$

4.3. אנילין (aniline)

הנציג הפשוט ביותר של האמינים הארומטיים הוא אנילין C₆H₅NH₂. ניתן לראותו כנגזרת של בנזן, שבמולקולתו אטום מימן הוחלף בקבוצת אמינו, או כנגזרת של אמוניה, שבמולקולתה אטום מימן אחד הוחלף ברדיקל פניל.

אנילין הוא נוזל שמנוני חסר צבע בעל ריח אופייני חלש. כבד מעט ממים ומעט מסיס בהם, אך מסיס היטב בכוהל, אתר ובנזן. רעיל.

לטבעת הבנזן השפעה על תכונות האנילין. אלקטרוני π של טבעת הבנזן, באינטראקציה עם זוג האלקטרונים הבלתי מחולק של החנקן, שואבים אותו אל תוכם. כתוצאה מכך פוחתת הצפיפות האלקטרונית על החנקן, נחלש קשירת הפרוטון, ונוצרים פחות יוני הידרוקסיל חופשיים. לכן אנילין מפגין תכונות בסיסיות חלשות מאוד (חלשות יותר מהאמינים הרוויים והאמוניה). למשל, תמיסת אנילין אינה צובעת לקמוס בכחול, אך בתגובה עם חומצות חזקות יוצר האנילין מלחים (בדומה לאמינים הרוויים):

$C_{6} H_{5} N H_{2} + H C l \to [C_{6} H_{5} N H_{3}] C l (phenylammonium chloride)$

כלוריד הפניל־אמוניום מסיס היטב במים. אם מוסיפים לתמיסה כזו כמות מספקת של תמיסת בסיס חזק, משתחרר האנילין שוב בצורתו החופשית:

$[C_{6} H_{5} N H_{3}] C l + N a O H \to C_{6} H_{5} N H_{2} + N a C l + H_{2} O$

לקבוצת האמינו השפעה ניכרת על טבעת הבנזן. הדבר בא לידי ביטוי בעלייה בניידות אטומי המימן בהשוואה לבנזן. כך, אנילין מגיב בקלות עם מי ברום בתנאים רגילים — ללא זרז וללא חימום:

$C_{6} H_{5} N H_{2} + 3 B r_{2} \to C_{6} H_{2} B r_{3} N H_{2} + 3 H B r$

מאותה סיבה, אנילין מתחמצן בקלות. באוויר, אנילין מחליף גוון לחום בהדרגה כתוצאה מחמצון. הוא מגיב בקלות עם חומרי חמצון נוספים, ונוצרות תרכובות בגוונים מגוונים. כך, בתגובת האנילין עם תמיסת סיד כלור מופיע צבע סגול אופייני. זוהי אחת מהתגובות האיכותיות הרגישות ביותר לזיהוי אנילין. בתגובת האנילין עם תערובת כרום (תערובת חומצה גופרתית מרוכזת ודיכרומט אשלגן K₂Cr₂O₇) נוצר משקע שחור, המכונה “אנילין שחור” (aniline black). תרכובת זו משמשת כחומר צביעה עמיד (לצביעת בדים ופרווה בצבע שחור). בדרך כלל, מספגים תחילה את הבד בתמיסת חומר חמצון. ה”אנילין השחור” הנוצר שוקע בנקבוביות הסיב. הוא בלתי מסיס במים ועמיד מאוד לסבון ואור.

הכנה. אנילין ואמינים ראשוניים ארומטיים אחרים מתקבלים בעזרת תגובה שגולתה עוד בשנת 1842, בידי הכימאי הרוסי ניקולאי זינין (Nikolai Zinin): חיזור של תרכובות ניטרו ארומטיות לאמינים תואמים. יש להדגיש כי חיזור תרכובות ניטרו הוא דרך כללית, אך לא הדרך היחידה, להכנת אמינים.

כחומר מחזר, השתמש זינין בסולפיד אמוניום:

$C_{6} H_{5} N O_{2} + 3 (N H_{4})_{2} S \to C_{6} H_{5} N H_{2} + 3 S + 6 N H_{3} + 2 H_{2} O$

עם זאת, בהמשך החלו להשתמש במימן כחומר מחזר. כיום, השיטה התעשייתית העיקרית להכנת אנילין היא חיזור ניטרובנזן בנוכחות זרז מתאים, למשל בהעברת תערובת אדי ניטרובנזן ומימן מעל זרז בטמפרטורה של 300°C:

$C_{6} H_{5} N O_{2} + 3 H_{2} cat. C_{6} H_{5} N H_{2} + 2 H_{2} O$

בדרך זו מתקבל אנילין בכמויות גדולות. באופן דומה מתקבלים גם אמינים ארומטיים אחרים, למשל טולואידינים (toluidines) מניטרוטולואנים. אנילין וטולואידינים משמשים חומרי גלם התחלתיים להכנת צבעי אנילין, חומרים תרופתיים ותרכובות רבות בעלות ערך.

חיזור תרכובות ניטרו ארומטיות לאמינים היה אבן דרך משמעותית בהתפתחות תעשיית הסינתזה האורגנית, ובפרט בתעשיית צבעי האנילין ובתעשייה הפרמצבטית, שהתפתחו בהמשך המאה ה־19 באירופה.

4.4. חומצות אמינו (amino acids)

חומצות אמינו הן תרכובות אורגניות שבמולקולותיהן קיימות בו־זמנית קבוצת אמינו —NH₂ וקבוצה קרבוקסילית —COOH.

ניתן לראותן כנגזרות של חומצות קרבוקסיליות, המתקבלות בהחלפת אטום מימן אחד או יותר ברדיקל הפחמימני בקבוצות אמינו. למשל: חומצה אצטית CH₃COOH → חומצה אמינואצטית H₂N—CH₂—COOH.

שמות חומצות האמינו נגזרים משמות החומצות המתאימות בתוספת הקידומת אמינו-. אולם לחומצות האמינו המרכיבות חלבונים יש גם שמות מסורתיים שהתקבעו בשימוש, למשל: חומצה אמינואצטית מכונה גם גליקוקול, או גליצין (glycine); חומצה אמינופרופיונית — אלנין (alanine) וכן הלאה.

איזומריה של חומצות אמינו תלויה במיקום קבוצת האמינו ובמבנה הרדיקל הפחמימני. לפי מיקום קבוצת האמינו (ביחס לקרבוקסיל) מבחינים בין: חומצות α-אמינו (α-amino, קבוצת האמינו נמצאת על אטום הפחמן הראשון, החל מהקבוצה הקרבוקסילית), חומצות β-אמינו (β-amino, קבוצת האמינו על אטום הפחמן השני), חומצות γ-אמינו (γ-amino, קבוצת האמינו על אטום הפחמן השלישי) וכן הלאה. למשל:

חומצה פרופיונית: CH₃—CH₂—COOH
חומצה α-אמינופרופיונית: CH₃—CH(NH₂)—COOH
חומצה β-אמינופרופיונית: H₂N—CH₂—CH₂—COOH

לדוגמה, לנוסחה C₄H₉NO₂ מתאימים המבנים המבודדים הבאים:

חומצה α-אמינובוטירית: CH₃—CH₂—CH(NH₂)—COOH
חומצה β-אמינובוטירית: CH₃—CH(NH₂)—CH₂—COOH
חומצה γ-אמינובוטירית (GABA): H₂N—CH₂—CH₂—CH₂—COOH
חומצה α-אמינואיזובוטירית: (CH₃)₂C(NH₂)—COOH
חומצה β-אמינואיזובוטירית: H₂N—CH₂—CH(CH₃)—COOH

לחומצות ה-α-אמינוקרבוקסיליות החשיבות הרבה ביותר. הן נפוצות מאוד בטבע — מהן בנויים חלבונים. מחלבונים בודדו, באמצעות הידרוליזה, 20 חומצות α-אמינו סטנדרטיות (המספר המדויק — 20 חומצות אמינו קנוניות המקודדות בקוד הגנטי, כפי שמוכר כיום).

חומצות אמינו הן חומרים גבישיים חסרי צבע, הנמסים תוך התפרקות בטמפרטורות גבוהות (מעל 250°C). מסיסות היטב במים ובלתי מסיסות באתר.

בתכונותיהן הכימיות, חומצות אמינו הן תרכובות אורגניות אמפוטריות (amphoteric) ייחודיות. התכונות האמפוטריות מוסברות בהשפעה הדדית בין קבוצת האמינו לקבוצה הקרבוקסילית במולקולות חומצות האמינו. הקבוצה הקרבוקסילית מוציאה יון מימן, המצטרף לאחר מכן לקבוצת האמינו באותה מולקולה, במקום זוג האלקטרונים הבלתי מחולק של החנקן. כתוצאה מכך, פעולת הקבוצות הפונקציונליות מנוטרלת, ונוצר מה שמכונה מלח פנימי (inner salt); בתמיסה אין עודף יוני מימן או הידרוקסיל, ולכן אינו משפיע על אינדיקטור. בתמיסות מימיות קיימות חומצות ה-α-אמינו בצורת מלח פנימי, או יון דו־קוטבי (צוויטריון, zwitterion):

$H_{3} N^{+} - C H_{2} - C O O^{-}$

מכיוון שהתמיסה מכילה יונים, היא מוליכה זרם חשמלי.

עם זאת, תמיסות של חומצות אמינו שבמולקולותיהן מספר בלתי שווה של קבוצות אמינו וקבוצות קרבוקסיליות משפיעות על אינדיקטור. כך, למשל, תמיסה מימית של חומצה גלוטמית (glutamic acid) HOOC—CH(NH₂)—CH₂—CH₂—COOH היא בעלת תגובה חומצית חלשה (עודף קבוצות קרבוקסיליות), ותמיסה מימית של ליזין (lysine) H₂N—(CH₂)₄—CH(NH₂)—COOH — בעלת תגובה בסיסית חלשה (עודף קבוצות אמינו).

האופי האמפוטרי של חומצות האמינו מאושש בתגובתן עם בסיסים וחומצות, ליצירת מלחים. למשל:

$H_{2} N - C H_{2} - C O O H + N a O H \to H_{2} N - C H_{2} - C O O N a + H_{2} O (sodium glycinate)$ $H_{2} N - C H_{2} - C O O H + H C l \to [H_{3} N - C H_{2} - C O O H] C l (glycine hydrochloride)$

כלומר, בעלייה בריכוז יוני OH⁻ מגיבות חומצות האמינו בצורת אניון (כחומצה), ובעלייה בריכוז יוני H⁺ — בצורת קטיון (כבסיס):

$H_{2} N - C H_{2} - C O O^{-} O H^{-} [zwitterion] H^{+} H_{3} N^{+} - C H_{2} - C O O H$

חומצות אמינו מגיבות עם מתכות ותחמוצות מתכת, ויוצרות מלחים, וכן עם כוהלים, ויוצרות אסטרים.

חומצות אמינו מתקבלות בהידרוליזה של חלבונים, כתוצרי הסיום של ההידרוליזה. אולם ניתן להכינן גם בדרך סינתטית, למשל בתגובת אמוניה עם חומצות מוחלפות בהלוגן. את האחרונות מכינים בהלוגנציה:

$C H_{3} C O O H + C l_{2} \to C H_{2} C l C O O H + H C l$

ולאחר מכן:

$C l C H_{2} C O O H + 2 N H_{3} \to H_{2} N - C H_{2} - C O O H + N H_{4} C l$

(chloroacetic acid + ammonia → glycine + ammonium chloride)

חומצות אמינו הכרחיות לבניית חלבונים בגוף החי. האדם ובעלי החיים מקבלים אותן במסגרת מזון עשיר בחלבון. חומצות אמינו רבות משמשות ברפואה כאמצעים טיפוליים, וחלקן משמשות בחקלאות להעשרת מזון לבעלי חיים. חומצות אמינו בלתי־מסתעפות, בהיותן מונומרים דו־פונקציונליים (מכילים שתי קבוצות פונקציונליות), משמשות לייצור סיבים סינתטיים, ובכללם ניילון־6 (nylon-6, המכונה גם “קפרון” בעגה המסורתית) וניילון־7 (nylon-7).

נבחן את הכנת הפולימר שממנו מייצרים את סיב הניילון־6. השלב הראשון הוא פוליקונדנסציה של חומצה ε-אמינוקפרואית (ε-aminocaproic acid):

$n H_{2} N - (C H_{2})_{5} - C O O H \to [- N H - (C H_{2})_{5} - C O -]_{n} + n H_{2} O$

בייצור סיב הניילון־6 משתמשים בדרך כלל לא ישירות בחומצה ε-אמינוקפרואית, אלא בנגזרתה — קפרולקטם (caprolactam), המהווה תוצר של אינטראקציה תוך־מולקולרית בין הקבוצות הפונקציונליות של החומצה (אמיד ציקלי).

בתהליך הסינתזה, בהשפעת מים, מולקולות הקפרולקטם מומרות למולקולות חומצה ε-אמינוקפרואית, העוברות פוליקונדנסציה.

את מבנה הפולימר המתקבל ניתן לבטא בנוסחה $(- N H - (C H_{2})_{5} - C (O) -)_{n}$ . יש לו מראה שרפי. להכנת סיבים ממיסים את השרף, מעבירים אותו דרך פתיתים (סוגרים), ולאחר מכן הסיבים עוברים עיבוד מיוחד, ומפותלים לחוטים. מוצרי ניילון־6 נמצאים בשימוש נרחב בחיי היומיום. שרף הניילון־6 משמשת להכנת חלקי מכונות ומנגנונים עמידים וחזקים.

ניילון־7 מתקבל בפוליקונדנסציה של חומצה ω-אמינואננתית (ω-aminoenanthic acid) H₂N—(CH₂)₆—COOH.

4.5. אמידים של חומצות (amides)

אמידים של חומצות קרבוקסיליות הם נגזרות של חומצות אלה, שבהן הקבוצה ההידרוקסילית הוחלפה בקבוצת אמינו. למשל: חומצה אצטית CH₃—COOH → אצטאמיד (acetamide) CH₃—CO—NH₂.

הנוסחה הכללית של האמידים: R—CO—NH₂. הקבוצה הפונקציונלית —CO—NH₂ נקראת קבוצת אמיד (amide group). שמות האמידים נגזרים משמות החומצות שמהן נוצרו, בתוספת המילה “אמיד”.

אמידים מתקבלים בחימום מלחי אמוניום של חומצות קרבוקסיליות:

$R - C O O N H_{4} Δ R - C O - N H_{2} + H_{2} O$

או בפעולת אמוניה על אסטרים:

$R - C O - O - R^{'} + N H_{3} \to R - C O - N H_{2} + R^{'} O H$

אמיד החומצה הפורמית הוא נוזל, ואמידים של חומצות אחרות הם חומרים גבישיים לבנים. אמידים נמוכים מסיסים היטב במים. תמיסותיהם המימיות נותנות תגובה ניטרלית ללקמוס. התכונה החשובה ביותר של אמידים היא יכולתם לעבור הידרוליזה בנוכחות חומצות ובסיסים. בכך נוצרים חומצה ואמוניה:

$R - C O - N H_{2} + H O H \to R - C O O H + N H_{3}$

בין אמידי החומצות נמנית אוריאה (urea). זהו תוצר הסיום של חילוף החומרים החנקני בגוף האדם ובעלי החיים. נוצרת בפירוק חלבונים, ומופרשת עם השתן. ניתן לראות באוריאה אמיד מלא של חומצה פחמתית:

$carbonic acid H O - C O - O H ⟶ urea H_{2} N - C O - N H_{2}$

אוריאה, המכונה גם קרבמיד (carbamide), היא חומר גבישי לבן, מסיס היטב במים. הוכנה לראשונה על ידי הכימאי הגרמני פרידריך וֶלֶר (Friedrich Wöhler), ב־1828, מציאנט אמוניום:

$N H_{4} O C N Δ H_{2} N - C O - N H_{2}$

זוהי התרכובת האורגנית הראשונה שהוכנה בדרך סינתטית — הישג שנחשב לנקודת מפנה בהיסטוריה של הכימיה האורגנית, שכן הפריך את ה”תורה החיונית” (ויטליזם). בתעשייה מכינים אוריאה מפחמן דו־חמצני ואמוניה, בחימום (150°C) ובלחץ גבוה:

$C O_{2} + 2 N H_{3} \to H_{2} N - C O - N H_{2} + H_{2} O$

עם חומצות אי־אורגניות חזקות יוצרת האוריאה מלחים:

$H_{2} N - C O - N H_{2} + H N O_{3} \to [H_{2} N - C O - N H_{3}] N O_{3}$

אוריאה היא דשן חנקני בעל ריכוז גבוה (46.6% חנקן), הנמצא בשימוש נרחב בכל סוגי הקרקע ולכל הגידולים. כמקור חנקן, מוסיפים אותה גם למזון בעלי חיים. משמשת גם חומר גלם להכנת שרפי אוריאה-פורמלדהיד ותרכובות תרופתיות.

4.6. חלבונים (proteins)

חלבונים הם תרכובות טבעיות מורכבות בעלות מסה מולקולרית גבוהה, הבנויות מחומצות α-אמינו. על פי התפיסה המקובלת כיום, חומצות ה-α-אמינו בחלבונים מחוברות ביניהן בקשרים פפטידיים (peptide bonds) (קשרי אמיד, —NH—CO—) ליצירת שרשראות פפטידיות. היווצרות הקשר הפפטידי מתרחשת כתוצאה מתגובה בין הקרבוקסיל של חומצת אמינו אחת לקבוצת האמינו של חומצה אחרת. בכך, משתי חומצות α-אמינו נוצר פפטיד (peptide), תוך שחרור מולקולת מים אחת:

$glycine + alanine \to dipeptide (glycyl-alanine) + H_{2} O$

משלוש חומצות אמינו נוצרים טריפפטידים (tripeptides), וממספר רב של חומצות אמינו — פוליפפטידים (polypeptides).

בקצוות מולקולת הדיפפטיד שנוצר נותרות אותן קבוצות פונקציונליות שהיו בכל חומצת אמינו — קרבוקסיל וקבוצת אמינו. לכן, הדיפפטיד יכול להגיב באחד מקצותיו עם חומצת אמינו שלישית, ולהפוך לטריפפטיד. באופן דומה, טריפפטיד הופך לטטרפפטיד, ולאחר מכן לפנטפפטיד וכן הלאה. באופן תיאורטי, אורך שרשרת הפוליפפטיד עשוי להיות ארוך כרצוננו.

בשנת 1902 הציע הכימאי הגרמני אמיל פישר (Emil Fischer), זוכה פרס נובל, את התיאוריה שלפיה חלבונים בנויים משרשראות פוליפפטיד המחוברות בקשרים פפטידיים, וביסס תיאוריה זו בניסויים — הצליח לסנתז פוליפפטיד המורכב מ־19 שאריות חומצות אמינו.

מספר שאריות חומצות האמינו במולקולות חלבונים שונים משתנה מאוד: באינסולין (insulin) — 51, במיוגלובין (myoglobin) — כ־140. לכן, גם המסה המולקולרית של חלבונים משתנה בטווח רחב מאוד — מ־10,000 עד כמה מיליונים. על בסיס קביעת המסה המולקולרית וניתוח יסודות, נקבעה הנוסחה האמפירית למולקולת ההמוגלובין (hemoglobin) בדם (C₇₃₈H₁₁₆₆O₂₀₈N₂₀₃S₂Fe)₄.

מידע על הרכב ומבנה חלבונים התקבל בחקר תוצרי ההידרוליזה שלהם. ההידרוליזה מתרחשת בחימום חלבונים עם תמיסות חומצות או בסיסים, או בפעולת אנזימים. תוצרי הסיום של ההידרוליזה הם חומצות α-אמינו. כך, למשל, הידרוליזה מלאה של טריפפטיד אחד מובילה להיווצרות שלוש חומצות אמינו (למשל, גליצין, סרין וציסטאין).

כיום ידוע כי רוב החלבונים בנויים מ־20 חומצות α-אמינו קנוניות שונות מבחינה איכותית. מכאן נובע כי במקרומולקולות החלבוניות שאריות חומצות אמינו בודדות חוזרות פעמים רבות, בצירופים שונים ביותר. עובדה זו מסבירה את קיומו של מספר עצום של חלבונים שונים.

נביא כמה מחומצות ה-α-אמינו החשובות ביותר שבודדו מחלבונים (נוסחה כללית H₂N—CH(R)—COOH, כאשר R שונה עבור כל חומצת אמינו):

גליצין (glycine) — R = H
אלנין (alanine) — R = CH₃
ולין (valine) — R = CH(CH₃)₂
לאוצין (leucine) — R = CH₂CH(CH₃)₂
איזולאוצין (isoleucine) — R = CH(CH₃)C₂H₅
סרין (serine) — R = CH₂OH
ציסטאין (cysteine) — R = CH₂SH
פנילאלנין (phenylalanine) — R = CH₂C₆H₅
טירוזין (tyrosine) — R = CH₂C₆H₄OH
ליזין (lysine) — R = (CH₂)₄NH₂
חומצה גלוטמית (glutamic acid) — R = CH₂CH₂COOH

הרכב חומצות האמינו המרכיבות חלבונים מבוטא בנוסחה הכללית H₂N—CH(R)—COOH, שבה הרדיקל עשוי להכיל קבוצות פונקציונליות שונות (—SH, ‏—OH, ‏—COOH, ‏—NH₂ וטבעות).

הידרוליזת חלבונים, במהותה, מסתכמת בהידרוליזת הקשרים הפפטידיים. לכך מסתכם גם עיכול החלבונים. בעיכול, מולקולות החלבון עוברות הידרוליזה לחומצות אמינו, המסיסות היטב בסביבה מימית, חודרות לדם ומגיעות לכל רקמות ותאי הגוף. כאן החלק הגדול ביותר של חומצות האמינו מנוצל לסינתזת חלבונים של איברים ורקמות שונים, חלק — לסינתזת הורמונים, אנזימים ותרכובות חיוניות ביולוגית נוספות, והשאר משמשים חומר אנרגטי.

התפתחות שיטות מחקר ניסיוניות חדשות בכימיה האורגנית תרמה להתקדמות בחקר מבנה החלבון. כיום מבחינים במבנה ראשוני, שניוני ושלישוני של מולקולת החלבון.

מבנה ראשוני (primary structure) של החלבון — מבנהו הכימי, כלומר סדר החזרה של שאריות חומצות האמינו בשרשרת הפוליפפטיד של החלבון הנתון.

מבנה שניוני (secondary structure) של החלבון — צורת שרשרת הפוליפפטיד במרחב. באמצעות ניתוח קרני רנטגן ושיטות מחקר פיזיקליות נוספות, נקבע כי שרשראות הפוליפפטיד של חלבונים טבעיים נמצאות במצב מפותל — בצורת ספירלה. המבנה הספירלי מוחזק על ידי קשרי מימן, הנוצרים בין קבוצות CO ו־NH של שאריות חומצות האמינו בסלילים שכנים. מבנה שניוני מסוג זה נקרא α-הליקס (alpha helix). קשרי המימן בו מכוונים במקביל לציר הארוך של הספירלה (קטעי α-הליקס מתחלפים עם חלקים אמורפיים). מספר מועט בלבד של חלבונים בעל שרשראות פוליפפטיד מתוחות, למשל חלבון המשי הטבעי — פיברואין (fibroin), נוזל צמיג דמוי סירופ, המתמצק באוויר לחוט חזק ובלתי מסיס.

מבנה שלישוני (tertiary structure) של החלבון — התצורה התלת־ממדית האמיתית שרוכשת במרחב הספירלה המפותלת של שרשרת הפוליפפטיד. במקרים הפשוטים ביותר ניתן לתאר את המבנה השלישוני כספירלה, המפותלת בעצמה כספירלה נוספת. למבנה כזה קיימים במרחב בליטות ושקעים, עם קבוצות פונקציונליות הפונות כלפי חוץ. המבנה השלישוני מסביר את הייחודיות של מולקולת החלבון ואת פעילותה הביולוגית. הגורמים המכריעים ביצירת המבנה השלישוני ובשמירתו הם קשרים בין הרדיקלים הצדדיים של שאריות חומצות האמינו (גשרי דיסולפיד של אטומי גופרית —S—S—, גשרי מלח בין קבוצת אמינו לקרבוקסיל, גשרי מימן וכו’).

מבנה החלבונים מסביר את מגוון תכונותיהם. יש להם מסיסות שונה: חלקם מסיסים במים, אחרים — בתמיסות מדוללות של מלחים ניטרליים, ואחרים אינם מסיסים כלל (למשל, חלבוני רקמות כיסוי). בהמסת חלבונים במים נוצרת מערכת דיספרסית מולקולרית ייחודית (תמיסת חומר בעל מסה מולקולרית גבוהה). חלבונים מסוימים ניתן לבודד בצורה גבישית (חלבון ביצת תרנגולת, המוגלובין בדם).

לפי הרכבם הכימי, חלבונים מתחלקים לשתי קבוצות: (a) חלבונים פשוטים — פרוטאינים (simple proteins), המתפרקים בהידרוליזה לחומצות אמינו בלבד; (b) חלבונים מורכבים, או פרוטאידים (conjugated proteins), היוצרים בהידרוליזה חומצות אמינו וחומרים שאינם חלבוניים (פחמימות, חומצות גרעין ועוד) — צירופים של חומרים חלבוניים עם חומרים שאינם חלבוניים.

מכיוון שבחלבונים קיימים קרבוקסיל וקבוצת אמינו, הם מפגינים, כמו חומצות אמינו, תכונות אמפוטריות. כך, בפעולת בסיסים חזקים, מגיב החלבון בצורת אניון — מתחבר עם קטיון הבסיס, ויוצר מלח הנקרא אלבומינאט (albuminate):

$H_{2} N - C H (R) - C O O H + N a O H \to H_{2} N - C H (R) - C O O N a + H_{2} O$

בפעולת חומצות, לעומת זאת, הוא הופך לקטיון, ויוצר תרכובת קטיונית:

$H_{2} N - C H (R) - C O O H + H C l \to [H_{3} N - C H (R) - C O O H] C l$

אם במולקולת החלבון עודף קבוצות קרבוקסיליות, הוא מפגין תכונות חומציות; אם עודף קבוצות אמינו — תכונות בסיסיות.

גורמים שונים הורסים את המבנה השניוני והשלישוני של החלבונים — תופעה המכונה דנטורציה של חלבון (protein denaturation). מהות הדנטורציה היא בפירוק הקשרים המהווים את המבנה השניוני והשלישוני של המולקולה (קשרי מימן, גשרי מלח וגשרים נוספים). הדבר מוביל לאיבוד סידור התצורה המרחבית של מולקולת החלבון. חומרים ותנאים הגורמים לדנטורציה של חלבונים מגוונים מאוד: פעולת חומצות ובסיסים חזקים, כוהל אתילי, מלחי מתכות כבדות, קרינה, חימום, נענוע חזק ועוד.

4.7. תרכובות הטרוציקליות (heterocyclic compounds)

תרכובות הטרוציקליות הן חומרים אורגניים שמולקולותיהם בעלות מבנה ציקלי, כאשר בהרכב הטבעת, מלבד אטומי פחמן, נמצאים גם הטרואטומים.

הטרואטומים (heteroatoms) כוללים אטומי חנקן, חמצן, גופרית, צורן, זרחן, סלניום ויסודות נוספים. תרכובות הטרוציקליות נהוג לחלק לרוויות, בלתי־רוויות וארומטיות. בתכונות מסוימות הן דומות לתרכובות האליפטיות או הקרבוציקליות המקבילות.

בהתאם למספר האטומים בטבעת, מחלקים תרכובות הטרוציקליות לטבעות תלת-, ארבע-, חמש-, שש-חברתיות וכן הלאה. כמו כן, להטרוציקלים יכול להיות מספר שונה של הטרואטומים בטבעת: אחד, שניים, שלושה וכן הלאה. נביא דוגמאות לתרכובות הטרוציקליות:

אוקסירן (oxirane) (תחמוצת אתילן) — טבעת תלת־חברתית רוויה עם הטרואטום אחד (O)
תיופן (thiophene) — טבעת חמש־חברתית עם הטרואטום אחד (S), המפגינה תכונות ארומטיות
1,4-דיאוקסן (1,4-dioxane) — טבעת שש־חברתית בלתי רוויה עם שני הטרואטומים (O)

נבחן את המבנה והתכונות של כמה מהתרכובות ההטרוציקליות החשובות ביותר.

פירידין (pyridine). פירידין C₅H₅N הוא טבעת שש־חברתית מכילת חנקן בעלת הטרואטום אחד, שנוסחת המבנה שלה מתוארת בדומה לנוסחת הבנזן.

מבנה הקשר במולקולת הפירידין דומה למבנה הקשר במולקולת הבנזן (ראו 2.11): נוצרת מערכת אלקטרוני π יציבה, שבהיווצרותה משתתפים אלקטרוני p של חמשת אטומי הפחמן ואטום החנקן. מבנה מולקולה זה מוביל לכך שפירידין מפגין תכונות האופייניות לתרכובות ארומטיות.

פירידין הוא נוזל בעל ריח חריף ולא נעים. מסיס היטב במים. מבודד מזפת פחם, או מסונתז בתגובה בין אצטילן לאמוניה, או אצטילן וחומצה ציאנית, בנוכחות זרזים מיוחדים:

$3 H C \equiv C H + N H_{3} \to C_{5} H_{5} N + C H_{4}$ $2 H C \equiv C H + H C N \to C_{5} H_{5} N$

תכונות האופייניות לתרכובות ארומטיות, ובפרט לבנזן, מפגין הפירידין בהשתתפות בתגובות תחלופה. החנקן במולקולה משפיע, כמובן, על מהלך התגובות. למשל, תגובת ניטור הפירידין מתרחשת בקושי רב יותר מאשר עם בנזן, והתחלופה מתרחשת במיקום 3 (מטא) ביחס לאטום החנקן בטבעת.

תגובת הידרוגנציה של הפירידין בנוכחות זרזים מובילה לפיפרידין (piperidine) (טבעת שש־חברתית מכילת חנקן, רוויה לחלוטין).

החנקן, המרכיב את מולקולת הפירידין, מעניק לחומר תכונות מסוימות המקרבות אותו לאמינים. למשל, פירידין מפגין תכונות בסיסיות, ויוצר מלחים עם חומצות:

$C_{5} H_{5} N + H C l \to [C_{5} H_{5} N H] C l$

לנגזרות פירידין רבות תפקיד חשוב בטבע ובחיי האדם: הן ויטמינים, חומרים פעילים ביולוגית, תרופות, צבעים וכו’.

פירול (pyrrole). פירול C₄H₅N הוא טבעת חמש־חברתית מכילת חנקן בעלת הטרואטום אחד.

פירול, כמו הטרוציקלים חמש־חברתיים רבים אחרים, מפגין תכונות של תרכובות ארומטיות. למשל, הוא יכול להיכנס לתגובות תחלופה, שבהן מוחלפים אטומי המימן על אטומי הפחמן (למשל, ברומינציה ליצירת טטרברומופירול).

אלקטרוני אטום החנקן בפירול נשאבים במידה ניכרת לעבר הטבעת. לכן, בשונה מהפירידין, פירול כמעט אינו מפגין תכונות בסיסיות, ואופייניות לו תכונות חומציות חלשות. למשל, בתגובת הפירול עם אשלגן מתכתי או הידרוקסיד אשלגן (בחימום) נוצר פירול-אשלגן (פירולט אשלגן):

$C_{4} H_{4} N H + K O H Δ C_{4} H_{4} N K + H_{2} O$

נגזרות פירול רבות נכללות בהרכב תרכובות טבעיות, ובכלל זה כלורופיל (chlorophyll, החומר הירוק של הצמחים) והמוגלובין (מרכיב הדם).

פירימידין, פורין ונגזרותיהם. פירימידין (pyrimidine) הוא טבעת שש־חברתית מכילת חנקן בעלת שני הטרואטומי חנקן, המפגינה תכונות ארומטיות.

מבנה הטרוציקלי מורכב עוד יותר יש לפורין (purine) (מערכת כפולה, מורכבת מטבעת פירימידין וטבעת אימידאזול, imidazole).

נגזרות הפירימידין והפורין — הבסיסים הפירימידיניים והפוריניים — הן חומרים בעלי חשיבות ביולוגית, שכן הם משתתפים בסינתזת חלבונים בגוף החי (ראו 4.8). תפקיד זה ממלאים הבסיסים הפוריניים אדנין (adenine) וגואנין (guanine), וכן הבסיסים הפירימידיניים ציטוזין (cytosine), תימין (thymine) ואורציל (uracil).

הנוסחאות המקובלות של הבסיסים הפוריניים והפירימידיניים אינן משקפות במדויק לחלוטין את אופיים הכימי. עבורם אופיינית תופעת הטאוטומריה (tautomerism), כלומר קיום בו־זמני בשתיים או יותר צורות שונות, הנמצאות במצב שיווי משקל. למשל, עבור הגואנין קיימות צורה לקטמית וצורה לקטימית. סוג זה של טאוטומריה מכונה טאוטומריית לקטים-לקטים (lactam-lactim tautomerism).

4.8. חומצות גרעין (nucleic acids)

חומצות גרעין פולימריות, או פוליניקלאוטידים (polynucleotides), משתייכות לתרכובות טבעיות הממלאות תפקיד חשוב בתהליכים הביולוגיים המתרחשים באורגניזמים צמחיים וחיים. חומצות אלה נמצאות בהרכב גרעין התא החי, הכרומוזומים והציטופלזמה. שם החומצות נובע מהמילה הלטינית nucleus — גרעין.

פוליניקלאוטידים הם פולימרים, שמולקולותיהם מורכבות מתרכובות הטרוציקליות מכילות חנקן (בסיסים פירימידיניים ופוריניים), מונוסכרידים (פנטוזות, pentoses) וחומצה זרחתית. כל אחת מהתרכובות שנמנו תורמת להרכב מולקולת חומצת הגרעין חלק (שארית) ממולקולתה. את מבנה מולקולות חומצות הגרעין ניתן לבטא בתרשים:

       base            base
          |                |
...—sugar—phosphate—sugar—phosphate—...

הבסיסים המשתתפים ביצירת חומצות הגרעין הם הבסיסים הפוריניים והפירימידיניים (ראו 4.7): אדנין, גואנין, ציטוזין, תימין ואורציל. הסוכרים המשתתפים בבניית מולקולות חומצות הגרעין הם שתי פנטוזות: ריבוז (ribose) ו2-דאוקסיריבוז (2-deoxyribose).

מבנים פשוטים יותר מהפוליניקלאוטידים הם הניקלאוטידים (nucleotides). ניתן להשיגם בהידרוליזה של חומצות גרעין. מולקולת הניקלאוטיד מורכבת ממולקולת בסיס אחת, מולקולת פנטוז אחת, ומולקולה אחת או יותר (2 או 3) של חומצה זרחתית. בין הניקלאוטידים נמנה, למשל, אדנוזין טריפוספט (adenosine triphosphate, ATP), הממלא תפקיד חשוב בתהליכים ביוכימיים, ואחראי לאחסון והעברת אנרגיה בתא החי. מולקולת ה-ATP בנויה מאדנין, ריבוז ושלוש קבוצות זרחה.

בהוצאת כל קבוצות הזרחה מהניקלאוטידים נוצרות תרכובות המכונות ניקלאוזידים (nucleosides). דוגמאות לתרכובות כאלה: אדנוזין (adenosine) (אדנין + ריבוז) ואורידין (uridine) (אורציל + ריבוז).

מניקלאוזידים בנויות מולקולות חומצות הגרעין.

מבחינים בין שני סוגים של פוליניקלאוטידים (חומצות גרעין): חומצה דאוקסיריבונוקלאית (deoxyribonucleic acid, DNA) וחומצה ריבונוקלאית (ribonucleic acid, RNA). ה-DNA נמצא בהרכב גרעיני התאים ואחראי להעברת מידע תורשתי מדור לדור. ה-RNA נמצא בהרכב הכרומוזומים והציטופלזמה, ותפקידו הביולוגי מתמקד בהשתתפות בתהליך סינתזת החלבון ובהעברת מידע מה-DNA. ההרכב הכימי של DNA ו-RNA נבדל בסוכר, ששאריתו נכללת במולקולת החומצה: מולקולות ה-DNA מכילות שאריות 2-דאוקסיריבוז, ואילו ה-RNA — שאריות ריבוז. בנוסף, בהרכב ה-DNA נכללים הבסיסים אדנין, גואנין, ציטוזין ותימין, ואילו בהרכב ה-RNA — אדנין, גואנין, ציטוזין ואורציל.

סינתזת המולקולות הפולימריות של חומצות הגרעין מתרחשת כתוצאה מהיווצרות קשרים בין החומצה הזרחתית למולקולות הניקלאוזיד. הקשר נוצר בזכות קבוצות הידרוקסיל של הפנטוז וקבוצות הידרוקסיל של החומצה הזרחתית (כמו באסטרים). ביצירת הקשרים הכימיים במולקולת ה-DNA משתתפות קבוצות הידרוקסיל של ה-2-דאוקסיריבוז באטומי הפחמן השני והחמישי. בהיווצרות ה-RNA נוצר הקשר הכימי עם הזרחות בזכות קבוצות ההידרוקסיל באטומי הפחמן השני, השלישי או החמישי.

למולקולת ה-DNA מה שמכונה מבנה שניוני: כתוצאה מהיווצרות קשרי מימן, יש לה צורת ספירלה, המורכבת משני פוליניקלאוטידים (הספירלה הכפולה של ה-DNA, DNA double helix). מבנה זה תואר לראשונה ב־1953 על ידי החוקרים ג’יימס ווטסון ופרנסיס קריק (James Watson and Francis Crick). קשרי המימן נוצרים בין זוגות בסיסים — אדנין ותימין (A–T), גואנין וציטוזין (G–C).

התאמה מרחבית זו בין המולקולות, המאפשרת התקרבות ביניהן והיווצרות קשרי מימן, נקראת קומפלמנטריות (complementarity). הקומפלמנטריות היא הבסיס למודל הספירלי של ה-DNA. בזכותה, שאריות האדנין והתימין נכללות בהרכב ה-DNA בכמויות שוות, וכך גם הזוג גואנין-ציטוזין.

מולקולות ה-RNA מורכבות משרשרת פוליניקלאוטידית אחת, וללא יחס מוגדר בין הבסיסים המרכיבים אותן. מבחינים בשלושה סוגי מולקולות RNA: שליח (messenger, mRNA, המכונה גם מידעי**), ריבוזומלי (ribosomal, rRNA) ומעביר (transfer, tRNA)**. ל-RNA השליח סדר בסיסים התואם קטע מוגדר ב-DNA. שלושה בסיסים סמוכים במולקולה יוצרים צירוף מוגדר, המכונה קודון (codon). לצירוף זה, כלומר לקודון מוגדר, מתאימה חומצת אמינו מסוימת.

סידור הקודונים במולקולת ה-RNA השליח קובע את סדר חיבור חומצות האמינו בחלבון, כלומר את מבנהו הראשוני.

לכל חומצת אמינו המרכיבה חלבונים מתאים RNA מעביר משלה. במולקולותיו נמצאים בסיסים התואמים לקודונים. הקטע ב-RNA עם בסיסים אלה נקרא אנטיקודון (anticodon).

תהליך סינתזת החלבון מתרחש באזורי התא המכונים ריבוזומים (ribosomes). לשם כך מגיע ה-RNA השליח, המסונתז בגרעין התא. מולקולת ה-RNA השליח נקשרת ל-RNA הריבוזומלי. אל הריבוזום מגיע גם ה-RNA המעביר מהציטופלזמה. מולקולת ה-RNA המעביר קשורה בכל פעם לחומצת אמינו מסוימת. מולקולות ה-RNA השליח וה-RNA המעביר מתקרבות, נוצרים קשרי מימן בין הקודון לאנטיקודון, חומצת האמינו מתנתקת מה-RNA המעביר ומשתלבת במולקולת החלבון. תהליכים אלה נמשכים עד להיווצרותה המלאה של מולקולת החלבון: יש לאייש את כל המקומות המתאימים לקודונים במולקולת ה-RNA השליח. לאחר מכן, מולקולת החלבון מתנתקת מה-RNA, רוכשת מבנה שניוני ושלישוני, ומתחילה למלא את תפקידה הביולוגי. סינתזת מולקולת החלבון, בהתאם לתהליך שתואר, נמשכת בדרך כלל, באורגניזמים חיים, כמה שניות בודדות.

4.9. פתרון בעיות לדוגמה

בעיה 1. כיצד ניתן להכין אנילין ממתאן, ללא שימוש בתרכובות אורגניות נוספות? ציינו את תנאי התרחשות התגובות.

פתרון. בביצוע פירוליזה של מתאן ניתן להכין אצטילן:

$2 C H_{4} 1500° C C_{2} H_{2} + 3 H_{2}$

בנוכחות זרז פחמן, מאצטילן ניתן להכין בנזן:

$3 C_{2} H_{2} C 600° C C_{6} H_{6}$

בפעולת תערובת מנטרת (תערובת חומצות חנקתית וגופרתית מרוכזות) על בנזן, נוצר ניטרובנזן:

$C_{6} H_{6} + H N O_{3} H_{2} S O_{4} C_{6} H_{5} N O_{2} + H_{2} O$

מניטרובנזן ניתן להכין אנילין בחיזור, באמצעות סולפיד אמוניום, ברזל בסביבה חומצית, או מימן בנוכחות זרזים, למשל:

$C_{6} H_{5} N O_{2} + 3 H_{2} \to C_{6} H_{5} N H_{2} + 2 H_{2} O$

בעיה 2. איזה נפח של תמיסת הידרוקסיד אשלגן בריכוז 15% (צפיפות 1.14 g/mL) יידרש לנטרול חומצה אמינואצטית, המתקבלת מ־12.8 g קרביד סידן?

פתרון. כותבים את משוואות התגובות לסינתזת חומצה אמינואצטית מקרביד סידן:

(a) הכנת אצטילן מקרביד סידן: $C a C_{2} + 2 H_{2} O \to C a (O H)_{2} + C_{2} H_{2}$

(b) הכנת אצטלדהיד (תגובת קוצ’רוב): $C_{2} H_{2} + H_{2} O H g^{2 +} C H_{3} C H O$

(d) הלוגנציה של חומצה אצטית: $C H_{3} C O O H + C l_{2} \to C l C H_{2} C O O H + H C l$

(e) תגובת חומצה כלוראצטית עם אמוניה: $C l C H_{2} C O O H + 2 N H_{3} \to H_{2} N C H_{2} C O O H + N H_{4} C l$

קובעים את כמות החומר של CaC₂:

$n (C a C_{2}) = \frac{12.8}{64} mol = 0.2 mol .$

ממשוואות a–e נובע: n(H₂NCH₂COOH) = n(CaC₂) = 0.2 mol.

ממשוואת תגובת נטרול החומצה:

$H_{2} N C H_{2} C O O H + K O H \to H_{2} N C H_{2} C O O K + H_{2} O$

נובע כי: n(KOH) = n(H₂NCH₂COOH) = 0.2 mol.

קובעים את מסת ה-KOH הדרושה:

$m (K O H) = 0.2 \cdot 56 g = 11.2 g .$

מחשבים את מסת ונפח תמיסת הידרוקסיד האשלגן:

$m (soln) = \frac{11.2 \cdot 100}{15} g \approx 74.67 g;$

$V = \frac{74.67}{1.14} mL \approx 65.5 mL .$

בעיה 3. קיימת תמיסה של פנול ואנילין בבנזן (חלק המסה של הפנול בתמיסה 4.4%, של האנילין — 1.2%). חשבו את מסת תמיסת הברום הדרושה לברומינציה של דגימת התמיסה ההתחלתית במסה 350 g. חלק המסה של הברום בתמיסה שווה ל־2%.

פתרון. עם ברום, ללא זרזים, מגיבים פנול ואנילין:

$C_{6} H_{5} O H + 3 B r_{2} \to C_{6} H_{2} B r_{3} O H + 3 H B r (a)$ $C_{6} H_{5} N H_{2} + 3 B r_{2} \to C_{6} H_{2} B r_{3} N H_{2} + 3 H B r (b)$

מחשבים את מסות וכמויות החומר של הפנול והאנילין הנמצאים בתמיסה:

$m (PhOH) = \frac{350 \cdot 4.4}{100} g = 15.4 g; n (PhOH) = \frac{15.4}{94} mol \approx 0.164 mol;$

$m (An) = \frac{350 \cdot 1.2}{100} g = 4.2 g; n (An) = \frac{4.2}{93} mol \approx 0.045 mol .$

קובעים את כמות החומר של הברום המולקולרי הדרוש לביצוע תגובות (a) ו-(b). ממשוואה (a):

$n_{a} (B r_{2}) = 3 \cdot 0.164 mol \approx 0.492 mol .$

ממשוואה (b):

$n_{b} (B r_{2}) = 3 \cdot 0.045 mol \approx 0.135 mol .$

מחשבים את כמות החומר הכוללת של הברום המולקולרי:

$n (B r_{2}) \approx (0.492 + 0.135) mol = 0.627 mol .$

מחשבים את מסת הברום הדרוש לתגובות ואת מסת תמיסת הברום:

$m (B r_{2}) = 0.627 \cdot 160 g \approx 100.3 g;$

$m (soln) = \frac{100.3 \cdot 100}{2} g \approx 5015 g \approx 5.0 kg .$

alugovskoy.net

Explorer